作者：张同伟1，2，3，秦升杰1，唐嘉陵1，王向鑫1
1． 国家深海基地管理中心，山东 青岛 266237; 2． 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061; 3． 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋观测与探测联合实验室，山东 青岛 266237)
摘要:作为水声定位技术中精度最高的长基线定位系统能够为各类深海探测装备直接提供绝对位置信息，被广泛应用于深海探测的导航定位中。本文首先介绍了长基线定位的基本原理、系统组成和布阵原则，然后系统介绍了法国 iXblue、挪威 Kongsberg 和英国 Sonardyne 等公司的深海长基线定位系统，并分析了国内发展情况，最后展望了深海长基线定位系统的发展趋势是阵型快速标定、长基线与超短基线相结合、长基线与高速数字水声通信相结合、多 AUV 移动长基线和单信标辅助导航。
关键词:长基线; 深海; ＲAMSES; cPAP; ＲOVNav
海洋约占地球表面积的 71%，是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。然而，在海洋中，超过 2000 m 水深的深海区占海洋面积的 84%。因此，地球表面大部分是深海。潜水器是潜入深海进行科学研究和调查作业必不可少的运载作业装备［1-4］，它主要分为无人潜水器( UUV) 和载人潜水器( HOV) 。其中无人潜水器又分为遥控无人潜水器( ＲOV) 和自主式无人潜水器( AUV) 。利用各类潜水器开展深海资源调查和科学研究不能忽略的一个重要问题是潜水器的水下定位问题，而海洋的介质环境决定了声比光和电磁波更适合作为水下定位技术的传播载体。
根据接收基阵基线长度来分类，水下声学定位技术可以分为长基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系统 3 种［5-7］。超短基线定位系统的优点是构成简单、操作方便、便于大范围机动作业等，但缺点是定位精度与深度有关，且定位结果由母船直接获得，水下载体则需要通过光缆/电缆或水声通信获得定位信息。对于有缆的 ＲOV，尚且能够做到较高的实时性，但对于无缆的 AUV 等，受限于声音传播速度、通信周期等，往往存在较大的延时。长基线定位系统的优点［8-11］是定位精度高( 与作业深度无关) 、实时性好( 潜水器实时解算自身位置) ，缺点是需要投放信标阵列，设备和时间成本较高。在深海作业支持领域，一些作业需要更精确的定位，这就需要长基线定位系统。
本文首先介绍了长基线定位的基本原理、系统组成和布阵原则，然后系统介绍了法国 iXblue、挪威Kongsberg 和英国 Sonardyne 等公司的 3 款典型深海长基线定位系统，并分析了国内发展情况，最后展望了深海长基线定位系统的发展趋势。
1.1 基本原理
在长基线定位系统中，被测水下载体上的问答机向各应答器发出询问信号，并接收各应答器的应答信号，通过信号传播时延差，列出解算方程，最终确定被测载体的三维位置坐标。长基线定位系统解算方法具有多种解算模型，如利用距离信息的球面交汇模型和利用距离差信息的双曲面( 双曲线) 交汇模型。在实际应用中，一般较少利用双曲面( 或双曲线) 交汇模型，而常用球面交汇模型。从原理上讲［12-13］，系统导航定位只需要 2 个海底应答器即可，但是这样会产生目标的偏离模糊问题，而且不能测量目标的水深; 在已知应答器和问答机的深度或深度差时，则需要 3 个海底应答器即可唯一确定目标位置; 在不知问答机换能器的深度时，是 3 个海底应答器对应的 3 个球面交汇，有双解，一个在应答器构成的平面之上，一个在平面之下。为得到唯一解，需用 4 个海底应答器。图 1 给出了长基线定位系统的工作原理示意图。
1.2 系统组成
长基线定位系统包括两部分: 一部分是水下移动载体上的问答机( 收发换能器) ，另一部分是一系列已知位置的固定在海底的应答器，至少 3 个，并构成一定的几何形状。应答器之间的距离构成基线，基线长度在几百米到几千米，甚至几十千米之间。
如果工作在同步模式，问答器和应答机上还需要分别配备高精度同步时钟。通常，问答器安装在水下载体的上部或下部，以避免遮挡。
1.3 布阵原则
长基线定位系统信标布放应遵循以下基本原则:
( 1) 各信标必须实现对作业位置及其附近区域的有效覆盖，以保证该区域的定位精度。
( 2) 各信标应尽可能构成有规则的几何形状。
( 3) 各信标应尽可能避开水下载体的作业轨迹。
( 4) 应根据潜标投放位置的深度设计潜标，使信标处于水下载体主要作业深度正负 100 m 以内。
目前国外长基线定位技术比较成熟，已经实现长基线定位系统的产品化、产业化、系列化。国际上主要的长基线定位系统生产厂商主要有法 国iXblue、挪威 Kongsberg、英国 Sonardyne 等公司( 见表 1) 。
2.1 法国 iXblue 公司的 ＲAMSES 6000
法国 iXblue 公司的 ＲAMSES 型产品属于新一代长基线定位系统，它分为中频型( 20 ～ 30 kHz) 和低频型( 8～17．5 kHz) 。其中低频型又称为 ＲAMSES6000( 如图 2 所示) ，其最大作业深度为 6000 m，最大作用距离为 8000 m，测距精度为 0．05 m。得益于iXblue 公司强大的技术基础和完整的研发团队，ＲAMSES 6000 最大的特点是组合兼容性强，数据融合技 术 独 特。ＲAMSES 6000 可 与 iXblue 公 司 的POSIDONIA II 超短基线和 PHINS 惯导构成一套完整的模块化水下导航系统，提供稳健、高更新率的定位信息。
ＲAMSES 6000 既可以作为常规的长基线定位系统使用，也可以与 iXblue 公司惯导系统进行紧组合使用。当作为常规长基线使用，且水下载体的深度信息已知时，它至少需要在海底布放 3 个应答器;当水下载体的深度信息未知时，则最少需要 4 个海底应答器; 当它与惯导系统进行紧组合时，ＲAMSES6000 则可以减少对海底应答器的依赖，最少需要1 个即可实现常规长基线的定位精度。ＲAMSES6000 所采用的稀疏海底应答器定位方案，可以大大减轻布阵、测阵带来的高昂代价。基于即时定位与地图构建( SLAM) 校准技术，ＲAMSES 6000 支持更加灵活的海底应答器布阵，而且可以在短时间内( 30 min) 完成海底应答器阵型的校准。得益于 ＲAMSES 6000 出色的深海定位性能，它已经成为法国海洋开发研究所( Ifremer) 的 Nautile号载人潜水器和 VICTOＲ 号 ＲOV 等深海装备的主要定位工具。在国内，7000 m 载人潜水器蛟龙号便是选用了该产品作为主要水下声学定位设备。
2.2 挪威 Kongsberg 公司的 cPAP17
挪威 Kongsberg 公司专门为 ＲOV 或其他有缆载体/模块开发了 cPAP 系列高精度长基线定位系统。cPAP 系列包括中频段 cPAP34 和低频段 cPAP17。它们可以采用两种声学协议，即新 Cymbal( PSK) 协议和 HiPAP /HPＲ( FSK) 协议。Cymbal 是一种用于通信和定位的全新声学协议，它采用基于相移键控的直序扩频技术( DSSS) ，可以有效抑制多途干扰。所有的 cPAP 系列长基线定位系统都拥有相同的软件和硬件平台。其中，cPAP17( 如图 3 所示) 的工作频带为10～16 kHz，其最大作业深度为 7000 m，最大作用距离为8000 m，测距精度为0．02 m。cPAP17 的水下收发机单元采用模块化设计，其换能器、收发机电路和端盖模块均可根据实际用途进行替换。此外，Kongsberg 公司开发的声学定位操作站( APOS) 可以采用批处理方式对长基线阵型进行快速校准。
2.3 英国 Sonardyne 公司的 ＲOVNav 6
针对海洋油气资源开发中的大量 ＲOV 的使用，以及对高精度导航定位的需求，英国 Sonardyne 公司先后开发了一系列长基线定位系统，如 Prospector系列、Dunker 6 系列、Fusion 6G 系列和ＲOVNav 系列。ＲOVNav 6 ( 如 图 4 所 示) 是 最 新 一 代 6GWideband 2 长基线问答机，是专门为作业级 ＲOV 设计的。针对作业级 ＲOV 嘈杂的背景噪声，ＲOVNav 6采用 Sonardyne Wideband 2 信号处理技术来提高其测距性能。ＲOVNav 6 属于中频段，其工作频带为19～34 kHz，其最大作业深度为 7000 m，测距精度为0．015 m。
随着其宽带数字技术的不断成熟，Sonardyne 推出了融合数字水声通信技术的 Compatt 系列长/超短基线信标。过去为测量邻居的信标，并将单次测距结果遥控传输给长基线问答机，需要在基线采集模式下启动每一个信标，导致一次只能测量一条基线。由于 Compatt 信标可以同时工作在多种模式下，而不需要每次都启动一种模式，使得 Compatt 信标可以同时对阵型中的其他 Compatt 信标进行测距，并存储测距结果，然后再遥控传输给长基线问答机。这种由单基线依次测量到多基线同时测量的改变，可以大大提高阵型测量的效率。例如，对于一个8 元 Compatt 阵，过去需要 90 min 以上才能完成阵型测量，而现在需要不足 15 min 就可以完成测量。当 ＲOV 处于应急状态时，ＲOVNav 6 可以工作中超 短 基 线 模 式，作为超短基线应答器，与Sonardyne 超短基线配合完成定位。其内置锂离子充电电池可以保证 ＲOV 失去电力情况下的再定位。
2.4 国内发展现状
2004 年，中国测绘科学研究院与中船重工 710研究所联合研制了“水下 DGPS 高精度定位系统”，能够为水下航行器提供精确的定位和授时。哈尔滨工程大学多年来围绕长基线定位技术开展了大量研究，研制了国内第一套高帧率、大范围、无线电遥控浮标阵的 GＲAT 长基线定位系统［15］。近年来，哈尔滨工程大学研发了深海高精度水声综合定位系统，将超短基线、长基线定位技术进行了深度融合，解决了海洋声速慢、平台运动带来的大时延异步高精度定位难题，成功支撑了“深海勇士号”载人潜水器首航试验。
通过对国内外典型长基线定位系统的比较分析，以及参考其他一些系统，可以得出深海长基线定位系统的发展趋势是阵型快速标定、长基线与超短基线相结合、长基线与高速数字水声通信相结合、多AUV 移动长基线和单信标辅助导航。
3.1 阵型快速标定
长基线定位系统的主要缺点是需要投放信标阵列，并进行阵型标定，往往需要花费大量的时间和精力。这是由于传统的长基线通常采用逐次标定的方式造成的。当采用水面船舶超短基线对信标进行绝对位置测量时，往往需要船舶围绕信标航行一个圆形轨迹，通过多次多角度测量的方式提高测量精度。如果能够在信标上增加数据传输功能，采用批处理的方式对信标间基线的相互测量，完成相对阵型标定，实现长基线阵型的快速标定。在这方面，挪威Kongsberg 公司和英国 Sonardyne 公司是先行者，它们的长基线定位系统均具备快速阵型标定能力。
长基线的优点是定位精度高，且与深度无关，缺点是需要投放信标阵列，设备和时间成本较高。超短基线声学换能器阵安装在船底/侧舷，其优点是机动灵活，便于大范围机动作业。如果将长基线与超短基线相结合，开发长/超短基线组合定位系统，既可以保证定位精度独立于工作水深，又兼具超短基线机动灵活的特点，实现对水下载体的连续高精度导航定位。在这方面，英国 Sonardyne 公司是先行者，已推出 LUSBL 组合定位系统。
长基线定位系统可以实现水下目标的高精度定位跟踪，数字水声通信则是水下无线信息获取、传输和控制的首要技术手段。除 有 缆 水 下 装 备 ( 如ＲOV、深拖等) ，大多数海洋调查装备都需要数字水声通信进行数据传输，或指令交互。如果能够将长基线和高速数字水声通信相结合，在长基线问答机和应答器( 信标) 上增加数字通信功能，则可实现长基线问答机和水面船舶、长基线应答器之间，以及问答机与应答器之间的数字通信传输。在这方面，英国 Sonardyne 公司是先行者，其推出的长基线定位系统 和 Compatt 信标都具备高速数字水声通信功能。
传统的长基线往往需要单独在海底或海面布放多个信标，以构成数千米的定位基线，这也导致了工作量大、仅能在覆盖区域进行定位等缺点。现在随着 AUV 向集群化、协同化发展，如果将应答器布设在多个协同作业的 AUV 上，主 AUV 内部装配高精度导航设备，从 AUV 内部装配低精度导航设备，通过测量AUV 之间的相对位置关系，构建多 AUV 移动长基线，可以实时获取从 AUV 的位置信息。
长基线阵型的快速标定可以大大提高标定效率，但是多个信标的布放和回收仍需要耗费大量时间和精力。如果只利用海底固定的单只信标提供测距信息，并结合水下载体上的惯导系统( 或姿态传感器+多普勒计程仪构成航位推算系统) ，通过对航行路径的合理规划，则可实现高精度导航定位，有效抑制惯导系统/航位推算随时间漂移的问题。在这方面，法国 iXblue 公司是先行者，得益于该公司在姿态传感器和惯性导航设备方面的强大研究实力，当 ＲAMSES 6000 与其惯导系统紧组合时，它采用稀疏海底应答器定位方案。
随着深海开发技术的不断完善，人们越来越深入地探索着海洋底部无穷无尽的资源，所采用的研究手段也越来越多，如载人潜水器、ＲOV、AUV、水下滑翔机、深拖系统、电视抓斗及其他探测设备。虽然大多数潜水器主要采用惯性导航与多普勒计程仪的组合导航定位模式，但是作为水声定位技术中精度最高的长基线定位系统能够为各类深海探测装备直接提供绝对位置信息，被广泛应用于深海探测的导航定位中，为水下目标探测、定位跟踪、海底地形勘探和水下遥控作业等各种高精度作业提供技术支持，使得它在海洋资源调查和科学研究领域发挥着越来越重要的作用。
虽然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的系列化长基线定位系统，但是随着科学与技术的不断进步，人类对深海水下定位技术也提出了越来越高的要求。通过对国内外典型深海长基线定位系统的比较分析，并结合深海调查的实际需求，可以得出深海长基线定位系统的发展趋势为: ①阵型快速标定; ②长基线与超短基线相结合; ③长基线与高速数字水声通信相结合; ④多 AUV 移动长基线;⑤单信标辅助导航。
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